浅谈城市地铁直流牵引杂散电流的危害与防护

浅谈城市地铁直流牵引杂散电流的危害与防护

刘帅

深圳市地铁集团有限公司运营总部

摘要：随着我国地铁的大范围建设，城市地铁所采取的直流牵引方式对周围的环境存在一定的损害，本文主要对产生杂散电流的产生、危害、防治措施等进行分析。

关键词：地铁；直流牵引；杂散电流；腐蚀；防治

前言

目前我国的城市轨道交通大多数采用正极接触网或接触轨供电、负极通过钢轨回流的方式，而对于杂散电流和直流系统、接地网系统研究比较缺乏，在运营统筹、设计、施工上的认识存在不统一的现象。国外在杂散电流方面的研究比较早，比如美国在1925年就开展了研究杂散电流，国内就广州和上海在引进德国西门子的技术后便开始了大规模的地铁建设，杂散电流防护方面则自主设计。

1、杂散电流的产生与危害

采用直流供电系统的接触网与牵引变电站的正母线连接，负母线与行车轨连接对系统中的直流电流进行回流。牵引变电所输出的直流电流经导电轨（第三轨）或架空线送入地铁电动车组，流经电机后经行车轨回流，再经连接在行车轨上的电缆导线回流到变电所负极柜母线端。由于钢轨很难做到完全对地绝缘，行车轨具有电阻，因此从运行车辆至变电站负极柜母线之间的回流行车轨上就产生电压降，车辆附近的行车轨电位相对高，形成轨道阳极区，就有漏泄电流流入大地。而牵引电流并非全部由钢轨流回牵引变电所，而是有部分由钢轨杂散流人大地，再由大地流回钢轨并返回牵引变电所，从而形成杂散电流。如图1中的I1所示和I2分别是一个供电区间两个牵引变电所向机车提供的电流I3和I4分别是通过轨道向两个牵引变电所回流的电流，I5和I6分别是泄漏到地下的杂散电流。

接近回流点附近的地区轨道电位比较低，甚至低于其附近的大地电位，为轨道阴极区，洞体结构钢筋中的杂散电流又可能再流回行车轨，因为地下埋设的钢筋、管道周围总有比较潮湿的电解质类物质，杂散电流在金属与电解质之间流动就加速了金属失去电子游离成金属离子，形成类似于电解过程的腐蚀现象。这就是金属的电腐蚀对于铺设在绝缘性能较好的道碴和轨枕上的市郊直流电气化铁道。干燥条件下产生杂散电流的情况要比地铁好一些，其防护对象主要是桥梁结构和从轨道下跨过的或沿线的水、电、气管线和桥梁建筑。这些金属管线和桥梁桁架、混凝土配筋都是漏泄电流迷走的途径和腐蚀的对象。

杂散电流会引起这些周围金属结构发生腐蚀，这种腐蚀称为杂散电流腐蚀。在腐蚀反应过程中，金属本身就是反应物，被氧化至较高价态，而存在于溶液或介质中的其他反应物则是电子的受体，被还原至较低的价态。金属电化学腐蚀的机理可归纳为电池作用和电解作用。微电池的腐蚀可以看做是金属中电极电位不同的部分直接电接触，而其表面又同时与电解质溶液接触。宏观的电池腐蚀是指腐蚀电池中的阴极和阳极尺寸较大，肉眼可以分辨阴阳极的电池腐蚀。电解作用是指外加直流电时阳极发生了溶解，就是发生了腐蚀。

2、限制杂散电流

在工程设计和施工中，地铁隧洞通过变形缝和沉降缝分为若干个结构段，根据工程实际情况，在每一个结构段内部，将主钢筋可靠地焊接，并在每一个结构段或变形缝的两端焊接引出杂散电流测防端子，而在相邻结构段间的变形缝处实现绝缘。这样，由于隧洞主体结构的钢筋焊接方式连接为一个整体，就减少了杂散电流在结构钢筋与周围水泥或土壤电解质之间的流人流出所形成的多重电腐蚀现象这种处理方法还为实现地下铁道的电化学排流防护提供了方便条件，从而预留了一条后备保护的方便途径。

上述杂散电流测防端子，可用于进行现场测量当需要实现排流防护时，还可在结构变形缝两侧通过导线将其连通。结构段内钢筋之间焊接与不焊接时，其电阻值的差异十分巨大，说明焊接的作用是非常明显的。将地铁隧洞主体结构钢筋经焊接连接为一体后，减少了电腐蚀现象。

对地铁杂散电流的限制及电腐蚀防护牵涉到地铁的供电、建筑结构等专业，关系到地铁的设计、建设旋工和运行管理各个方面为了协调各有关专业和有关方面的工作。

3、杂散电流腐蚀防护的要点

3.1治理地铁和城轨交通杂散电流腐蚀的原则：首先是将杂散电流减小至最低限度，消除产生杂散电流腐蚀现象的根源；其次，应加强绝缘措施，限制杂散电流向地铁外部或城轨交通沿线扩散；再次，轨道附近的地下金属管线结构，应单独采取有效的防蚀措施。

3.2城市轨道交通的设计建设中，必须包括以下杂散电流腐蚀防护的内容：

3.2.1牵引供电与回流系统中须有限制杂散电流的措旋。如选用分布式的牵引供电方案，变电站回流线应使用不少于两根电缆，不得从一个牵引变电站向不同的线路实行牵引供电等。

3.2.2采取设计合理、性能可靠的绝缘防水措施。线路结构应能保证道床、线路上部建筑及轨道不受积水和水流的浸蚀，保持清洁干燥不受污染。地铁的隧洞结构不得漏水或积水，且应具有良好的排水系统。

轨枕必须绝缘良好，轨枕的端面和螺纹道钉孔，必须经绝缘处理，设置专门的绝缘层。位于钢轨下面的道床素混凝土层的厚度，不宜小于0.4m。

3.2.3主体结构钢筋及金属管线结构的防护措施。地铁主体结构每个结构段内部的主钢筋应实现可靠焊接.相邻结构段之间应绝缘。市郊电气铁路的排流结构的钢筋也应焊接在一起。当隧洞是由钢筋混凝土弧型砌块制成时，这些区段应有母线旧流。地铁及城市轨道交通的结构钢筋、自来水、煤气天然气管及电缆金属外铠装等金属管线结构，与回流行车轨和电源负极间不应有电气连接。

3.2.4电气化轨道沿线敷设的各种电缆、水气管等管线结构，须选择符合杂散电流腐蚀防护要求的材质、结构设计和施工方法。敷设在轨道沿线的电力、通讯控制测量电缆，应采用防水绝缘护套的双塑电缆。

敷设在隧洞或城铁轨道附近的电缆、水管管线，不得与地下水流、积水、潮湿暗擘、士壤以及含盐沉积物等发生接触。水管在铁轨下方穿越时，宜采用非金属绝缘材质，否则应有绝缘层并在穿越部位两侧装设绝缘法。

3.2.5地铁沿线及车站应设置防蚀检测点

用以检查地铁牵引供电回流系统和结构电位等有关参数，进行现场试验，测量判断地F金属结构受杂散电流腐蚀的程度还可用以检查验收防蚀工程质量。

4．结束语

综上所述，杂散电流的产生对地铁周边的环境存在一定的危害。只要从防腐蚀、结构设计及施工方面入手做好工作，才能真正解决杂散电流的问题。

参考文献：

[1]李威．地铁杂散电流腐蚀监测及防护技术[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2004．

[2]李景禄．接地装置的运行与改造[M]．北京：中国水利水电出版社，2005．

[3]何宗华，汪松滋，何其光．城市轨道交通供电系统运行与维修[M]．北京：中国建筑工出版社，2005．

[4]黄德胜，张巍．地下铁道供电．北京：中国电力出版社，2009．